Пластик - между медью и стеклом

Представим, что нам нужно установить локальную сеть с большой пропускной способностью, так сказать, с заделом на будущее. Чем соединить между собой компьютеры? Еще недавно ответ был очевиден - коаксиал или витая пара (UTP) с третьей по пятую категории. Если речь шла о магистральных коммуникациях, прокладывалось оптическое стекловолокно. С развитием технологии выбор расширился. Появилась расширенная 5-я категория UTP, экранированная витая пара (так называемая 6-я европейская категория UTP). Снизилась стоимость оптоволокна. Кроме этого, на рынке кабельных соединений для локальных сетей возникло новое явление: пластиковое, или полимерное, оптическое волокно. По-английски оно называется Plastic Optical Fiber или сокращенно POF. Аналитики считают, что POF должно заполнить существующую нишу между медными проводами и стекловолокном по соотношению цена-производительность.

Пластиковое оптоволокно уже в течение нескольких лет производится в Японии и США. Оно употребляется для освещения (в качестве световодов), а также в робототехнике, промышленности и автомобилях. Число сетевых применений POF, впрочем, пока весьма невелико. Несколько американских компаний используют POF в качестве коротких (до 100 м) магистралей передачи данных. Новая разработка - POF с изменяющимся в поперечном сечении показателем преломления (graded-index POF) - обещает увеличить пропускную способность пластического волокна до 2 гигабит в секунду на дистанциях до 100 метров.

В каких отношениях находится POF со стеклом и медью с точки зрения технических характеристик и экономической выгоды? Пластиковые световоды способны работать в самых суровых температурных режимах, мыслимых для современных сетей, - от -40њ до 85њC. Без ущерба для оптических характеристик они могут выдерживать радиус изгиба до 20 мм и не ломаются даже при радиусе изгиба в 1 мм. Такая гибкость позволяет с легкостью прокладывать POF там же, где и медные провода, пропуская световод через стены и вентиляционные короба.

Область применения для POF оказывается весьма широкой. Помимо локальных сетей в их привычном понимании, пластиковые световоды могут использоваться в качестве сетевой основы для самолетов, компьютеризированных автомобилей, военного снаряжения и обмундирования, а также везде, где недопустимо возникновение электрических наводок и полей.

История POF

Идея использования POF для передачи данных на небольшие расстояния витала в воздухе на протяжении многих лет. Как это часто бывает, инженерное решение опередило свое время и потому не было принято. В 1970 году было даже сформировано совместное предприятие, которое пыталось продвигать коммуникационные соединения на основе POF. В нем приняло участие несколько известных компаний - Motorola делала оптоэлектронику, DuPont - волокно, а ITT изготавливала коннекторы. Несмотря на передовую технологию, спрос был мал, цена казалась слишком большой, и предприятие потихоньку увяло. На десятилетний период DuPont продала права на изготовление волокна компании Mitsubishi Rayon в США. Она, в свою очередь, получила патент на волокно со ступенчато изменяющимся показателем преломления (step-index fiber). На сегодняшний день компания DuPont, по словам ее представителей, не отказывается от производства POF, но и не собирается уделять ему значительного внимания. Существуют еще две компании (обе японские), которые разработали и запатентовали технологию POF для передачи данных - Toray Industries и NEC. В настоящее время наиболее распространена технология step-index POF. Принципиальное ограничение этой технологии состоит в том, что световой поток в них является неоднородным, его разные участки проходят разный путь. Происходит так называемая межмодовая дисперсия. С ней борются, суживая спектр излучения источников. Однако в step-index POF не удается достичь скорости передачи данных, превышающей 300 Мбит/с, а максимальная длина пролета ограничена сотней метров.

Что уже можно купить?

Несмотря на свою перспективность, технология POF распространена пока довольно мало. Этим, отчасти, объясняется некоторая ограниченность материалов, приводимых в данной статье. Однако технические характеристики пластиковой оптики привлекательны, а цена продуктов низка. Все это может привести к тому, что вскоре коннекторы и трансиверы POF будут лежать в мало-мальски серьезных компьютерных магазинах рядом с карточками Ethernet и аксессуарами для витой пары. Диаметр центральной жилы у POF больше, чем у стекловолокна, поэтому коннекторы для POF не требуют точной центровки (допуск составляет около 100 микрон) и соединяются буквально одним движением руки.

На сегодняшний день POF и связанные с этой технологией компоненты производят (или готовятся производить) японские компании NEC и Toray Industries, а также американские AMP, Hewlett Packard, Leviton Telcom, Panduit, SpecTran Specialty Optics и Thomas &Betts.

Примером из разряда "дешево и сердито" является оптический трансивер NEC под названием NL2100 (www.ic.nec.co.jp/opto/english/pof.html ¹), (фото 1). Он предназначен для step-index POF со скоростью передачи данных 156 Мбит/с. Излучающим элементом в нем является светодиод, работающий в красной области спектра. Его длина волны (650 нм) отвечает наименьшим потерям света в волокне. Компания заявляет, что трансивер полностью совместим с выпускаемыми сетевыми картами, разработанными для стекловолокна. Заявленная NEC цена весьма привлекательна - по 50 долларов за пару.

Компания AMP, с 1975 года также занимающаяся POF, на сегодняшний день производит довольно большой спектр различного оборудования для пластиковых световодов (www.amp.com/fiberoptics/plastic.html) - волокно, коннекторы, трансиверы и другие аксессуары (фото 2). Ее продукция предназначена не только для компьютерных сетей, но также используется для передачи аудио- и видеосигнала, в автомобилях и промышленных роботах.

В Соединенных Штатах решения на основе POF производит компания Boston Optical Fiber. Примером ее продукции является оптический хаб BOFNET (www.bostonoptical.com/products2.html) и сетевые карты, совместимые со стандартом Fast Ethernet (фото 3).

Желанные стандарты

Как и во многих быстро развивающихся компьютерных областях, распространение технологии POF сдерживается недостатком стандартов. Их принятие - дело небыстрое. "ATM forum" в мае 1997 года определил стандарт на POF в качестве среды передачи информации. Он описывает линии со скоростью передачи 155 Мбит/с. Утверждение стандарта на 50-мегабитные линии POF должно произойти в феврале этого года.

Еще одной заманчивой областью применения POF является высокоскоростной последовательный интерфейс IEEE1394, в миру больше известный под названием FireWire. Он может использоваться для соединения PC друг с другом, а также с цифровыми видеокамерами, дисковыми накопителями или принтерами. Скорость передачи данных по FireWire может составлять до 100 Мбит/с. Однако действующий стандарт IEEE1395-1995 определяет в качестве среды для передачи информации только медный провод длиной до 4,5 метров. Считается, что для домашних и мультимедийных приложений длина провода не имеет большого значения. Сейчас ведутся дискуссии о том, чтобы распространить этот стандарт на пластиковые световоды длиной 50-70 м и скоростью передачи данных 100-200 Мбит/с.

Новое поколение

Исследования в области POF ведутся достаточно активно. У пластикового волокна со ступенчато изменяющимся показателем преломления не удавалось избавиться от одного недостатка. Оно по-прежнему имело сравнительно большую дисперсию сигнала. Это обстоятельство и ограничивает максимальную длину пролета сотней метров.

Следующим шагом в развитии технологии POF стала разработка волокна с большим диаметром центральной жилы и постепенно изменяющимся в сечении показателем преломления - graded-index plastic optical fiber (GIPOF). Эти исследования в основном проводились в японском университете Кейо, что в городе Иокогама. А в Соединенных Штатах для продвижения этой технологии и разработки коммерческих применений POF был создан специальный консорциум High Speed Plastic Network (HSPN). Он пользовался поддержкой государственных структур, в том числе агентства ARPA (Advanced Research Projects Agency) при министерстве обороны США. Членами консорциума стали компании Boeing, Boston Optical Fiber, Honeywell, Packard-Hughes Interconnect. Несколько позднее в него вошла Lucent Technologies. По сведениям консорциума, на оптическом пластиковом волокне из PMMA длиной 100 м удалось достичь скорости передачи данных в 3 Гбит/с. Это означает, что его можно использовать для сетей на основе FDDI (Fiber Distributed Data Interface), fast Ethernet и ATM. В настоящее время в Соединенных Штатах производятся масштабные испытания POF в восьми крупных компаниях, включая Compaq, Digital Equipment, Boeing и другие. Если оборудование (кабели, коннекторы, трансиверы, хабы и т. д.) успешно пройдет все тесты, несколько компаний Консорциума начнут его массовое производство. В США к коммерческому производству POF готовится компания Boston Optical Fiber ².

¹ URL c этой странички указывает на компанию-производителя полимерного оптоволокна - Mitsubishi Rayon. Разработанное ей для интерфейса FireWire волокно имеет диаметр 1 мм, а вместе с оболочкой - 2,2 мм. Потери - 150-200 дБ/км или 15-20 дБ на 100 метров, а скорость передачи данных, в зависимости от расстояния, до 400-1000 Мбит/с. - Г.Б.

² В рамках программы, финансируемой DARPA, компания Boston Optical планирует через несколько лет разработать волокно, способное передавать 3 Гбит/с на расстояние в 1 км. - Г.Б.